中国石油大学孙金声院士团队：利用改性纳米二氧化硅在页岩表面构建层次结构疏水层强化钻井工程中的井壁稳定性丨Engineering

井壁失稳是钻井工程中的重要难题，会显著增加成本并影响钻井工程的安全和效率。 当使用水基钻井液（WBF）在页岩地层中钻进时，井壁失稳问题更为常见。这是因为页岩普遍富含黏土矿物，黏土矿物遇水发生水化膨胀，从而导致井壁坍塌、缩颈、卡钻等井下复杂情况。此外，页岩中纳米级和微米级孔隙和裂缝发育，钻井液能够通过这些微小通道侵入，进一步加剧了页岩的水化。

页岩水化本质上是黏土矿物的水化，黏土矿物水化主要有两种形式：表面水化和渗透水化。 表面水化作用引起黏土矿物结晶膨胀的方式有两种：黏土表面通过氢键作用直接吸附水分子；黏土吸附的可交换阳离子吸附水分子。所有类型的黏土矿物都能发生表面水化作用，引起轻微的膨胀（1.0~2.2 nm），同时产生非常高的水化膨胀压力。而渗透水化作用仅限于膨胀型黏土。原因是黏土层间的阳离子浓度高于周围水中的阳离子浓度，因此水进入层间促使阳离子浓度平衡。渗透水化作用可导致黏土体积显著增加（2~13 nm）。

为了降低水化引起的井壁失稳，通常使用页岩抑制剂来降低钻井液和页岩之间的相互作用。 页岩抑制剂包括盐类、多元醇类、胺类、纳米材料类和表面活性剂类。其中，最常用的页岩抑制剂是氯化钾（KCl）。K ⁺ 的水化能低，可以迁移到黏土的层间，同时K ⁺ 可以与黏土表面结合形成稳定的结构。井壁岩石是一种半透膜，高浓度甚至饱和的无机盐和有机盐水分活度低，可以通过减少水的侵入来有效抑制水化。当温度超过多元醇浊点时，多元醇可以相分离并吸附在井壁上以防止水侵入，有利于稳定页岩并抑制水化。聚醚胺作为一种高性能页岩抑制剂已得到较多的研究，它可进入黏土层间并通过氢键或静电作用强烈吸附在黏土表面。纳米二氧化硅、锂皂石等纳米材料由于具有较强的吸附和封堵能力也有利于抑制页岩水化。具有长碳链的表面活性剂、氨基氰基硅烷醇和离子液体可以改变岩石表面接触角并削弱水对岩石表面的吸附，但它们改变润湿性的能力有限，通常接触角不超过90°。

越来越多的研究人员已经意识到，表面水化虽然膨胀体积小，但会产生较高的膨胀压力，能够导致页岩崩解和井壁失稳。 然而，由于表面水化抑制性难以评价，大多数页岩抑制剂的目的都是抑制渗透水化。增加接触角可以降低页岩表面的自由能，从热力学的角度来看，这可以通过降低页岩吸附水的驱动力从而降低表面水化。基于这一理念， 中国石油大学孙金声院士团队利用纳米二氧化硅和长链季铵盐为原料合成了一种疏水纳米二氧化硅[HNS（图1）]，介绍了其在增加页岩接触角方面的应用，研究了HNS的井壁强化性能并分析了作用机理。

图1.  HNS的化学反应式和制备流程。

本研究研制了的HNS，其平均粒径为283 nm。页岩线性膨胀实验、滚动回收率实验和抗压强度实验均表明HNS具有良好的井壁强化性能（图2）。与KCl和聚醚胺相比， HNS能够更好地抑制强水敏页岩的分散 。此外， HNS可以防止钻井过程中岩石强度的降低 。

井壁强化的主要机理可归纳如下：在静电引力作用下，HNS中和了黏土的部分负电荷，从而降低了水化斥力和渗透水化。 HNS的吸附改变了页岩表面的微观结构并显著增加了接触角。 这种润湿性改变导致页岩表面自由能显著降低，从而有利于抑制表面水化。此外， HNS还可以有效封堵页岩孔隙，形成致密纳米膜，从而减少水的侵入，促进井壁稳定。

图2.  HNS在页岩表面的受力分析。

关键词：疏水；纳米颗粒；页岩抑制剂；钻井液；井壁稳定

以上内容来自：Xianbin Huang, Jinsheng Sun, He Li, Ren Wang, Kaihe Lv, Haichao Li. Fabrication of a Hydrophobic Hierarchical Surface on Shale Using Modified Nano-SiO ₂ for Strengthening the Wellbore Wall in Drilling Engineering [J]. Engineering, 2022, 11(4): 101-110.